JPH0260483B2

JPH0260483B2 -

Info

Publication number: JPH0260483B2
Application number: JP60164891A
Authority: JP
Inventors: Makoto Fujii; Tetsuo Kihinoki; Tetsunori Kaneko
Original assignee: Meiwa Industry Co Ltd
Current assignee: Meiwa Industry Co Ltd
Priority date: 1985-07-25
Filing date: 1985-07-25
Publication date: 1990-12-17
Also published as: JPS6225013A

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明はセラミツクス・コイルばねの製造法に
係り、特に高温下でのばね特性に優れ、また高硬
度、耐摩耗性、耐蝕性、非磁化性などに優れたセ
ラミツクス・コイルばねを有利に製造する方法に
関するものである。

（背景技術・解決課題）従来から、コイルばね（スプリング）は、それ
自身の弾性の利用を主目的とした機械要素とし
て、各種の機械、装置或いは機構に用いられてき
ており、今日においては、日常家庭用品や工業用
品、更にはその他の分野において、必要不可欠の
部品となつている。

ところで、そのような従来からのコイルばね
は、金属材料にて製造されているものであるとこ
ろから、熱に弱く、高温の使用環境下において充
分なばね特性を発揮し得ない問題を内在している
のであり、たとえ熱に強い金属、特に熱に強いと
されている耐熱合金から得られるものであつて
も、400℃以上の環境下において使用される場合
にあつては、ヘタリ現象が惹起されて、最早その
優れたばね特性を発現し得なくなるのである。

加えて、従来からのコイルばねは金属製である
が故に、錆が発生しやすく、また耐摩耗性にも劣
るものであり、更には磁場の影響を受けて磁化さ
れ易く、そのような環境下における使用に制限を
受ける等といつた問題があつた。

（解決手段）かかる状況下、本発明者等は、耐熱性、耐摩耗
性、耐蝕性等に優れたセラミツクス材料からコイ
ルばねを製造する技術について、種々検討を重ね
た結果、かかるセラミツクス材料からなるコイル
ばねの有利な製造手法を見い出し、本発明を完成
するに至つたのである。

すなわち、本発明は、高温下においても優れた
ばね特性を有すると共に、高硬度、耐摩耗性、耐
蝕性、非磁化性等の優れた特性を有するセラミツ
クス製コイルばねを、効果的に製造し得る手法を
提供するのであつて、その特徴とするところは、
セラミツクス粉末を主原料として用いて得られた
セラミツクス線状押出素材を乾燥せしめた後、該
素材と同様な熱収縮特性を有する芯棒に、該素材
と同様な熱収縮特性を有する間隙保持用コイル材
と共に巻き付けて、かかる線状押出素材と該間隙
保持用コイル材とを交互に該芯棒上にコイル状に
配置せしめ、そして該芯棒に巻き付けた状態下に
おいてアルミナ粉末中に埋め込んで仮焼成を行な
い、次いで該仮焼成された線状押出素材を前記芯
棒から取り外した後、本焼成を行なうようにした
ことにある。

このように、本発明にあつては、目的とするコ
イルばねを得るべく、所定のセラミツクス組成物
を押し出して得られるセラミツクス線状押出素材
を用いて、これを、同様な熱収縮特性を有する芯
棒上に巻き付け、又そのように巻き付けられた線
状押出素材のコイル間に、所定の間隙保持用コイ
ル材を介在せしめて、アルミナ粉末中において仮
焼成を行なつて、コイル形状と為し、更にその後
本焼成を行なうことによつて、セラミツクスのコ
イル形状への焼成加工を容易ならしめ、以て目的
とするケイル形態を有するコイルばねの製造を有
利に行ない得るようにしたのである。

即ち、本発明は、セラミツクス粉末を主原料と
するセラミツクス組成物を押し出して得られるセ
ラミツクス線状押出素材を用いて、それから目的
とするコイル形状のコイルばねを得るものであつ
て、それには、先ず押し出されたセラミツクス線
状押出素材に対して乾燥操作が施され、その水分
率が所定の値まで、一般に約３％以下の値まで低
下せしめられることとなる。けだし、押し出され
た線状素材には20％前後の水分が含まれており、
そのような高水分率の素材をそのまま焼成に付す
と、素材にひび割れ（クラツク）が入る等の問題
を惹起し、目的とする良好な品質の製品が得られ
なくなるからである。また、このような乾燥操作
は、好適には50℃を超えない温度下において行な
うことが望ましく、それによつて素材の可塑性
（可撓性）を乾燥後においても有利に保持し得る
のである。なお、余りにも高い乾燥温度は素材を
硬くし、その後のコイル巻き作業を困難にすると
ころから、避けることが望ましい。

一方、本発明にあつては、上記の如くセラミツ
クス線状押出素材を用意する一方、目的とするコ
イルばねの形状を与えるべき芯棒および間隙保持
用コイル材が、別途に用意されることとなるが、
それら芯棒や間隙保持用コイル材は、セラミツク
スコイルばねを与える前記セラミツクス線状押出
素材がその焼成によつて収縮するものであるとこ
ろから、該素材と同様な熱収縮特性を有するもの
である必要があるのである。なお、このような特
性を有する芯棒や間隙保持用コイル材は、一般
に、前記セラミツクス線状押出素材を構成するセ
ラミツクス組成物と同様なセラミツクス組成物、
特に同質のものを用いて形成されることとなる
が、又他の材質であつても、その熱収縮特性がほ
ぼ同様なものである限りにおいて、その使用は可
能である。また、かかる芯棒や間隙保持用コイル
材がセラミツクス線状押出素材と同様なセラミツ
クス組成物によつて成形される場合にあつては、
該セラミツクス線状組成物と同様に乾燥操作が施
されて使用されることとなる。

そして、本発明にあつては、前記乾燥されたセ
ラミツクス線状押出素材を、かかる芯棒上に間隙
保持用コイル材と共に巻き付けて、それら線状押
出素材と間隙保持用コイル材とが、交互に該芯棒
上にコイル状に配置せしめられるようにするので
ある。即ち、第１図に示されるように、セラミツ
クス線状押出素材２を、間隙保持用コイル材４と
共に、芯棒６上に、例えば該芯棒６を回転せしめ
ることによつて、規定の巻き数だけ巻き付けるの
である。なお、線状押出素材２および間隙保持用
コイル材４の端部は、可燃性接着剤８にて固定せ
しめられる。これによつて、第２図に示される如
き、芯棒６上に線状押出素材２と間隙保持用コイ
ル材４とが交互にコイル状に規定数だけ巻き付け
られた焼成用アツセンブリ１０が、得られること
となる。

次いで、このようにセラミツクス線状押出素材
２をコイル状に巻き付けて成る焼成用アツセンブ
リ１０は、第３図に示される如く、匣鉢１２に収
容されたアルミナ粉末１４中に埋め込まれ、そし
て所定の加熱炉中において、仮焼成が行なわれ
る。この仮焼成操作は、一般に、常圧下、300
℃／Hr以下の昇温速度において、特に常温から
1000℃程度までは、そのような昇温速度にて昇温
せしめて、1300℃〜1350℃程度の温度で仮焼する
手法が採用される。

このようなアルミナ粉末中における仮焼によつ
て、セラミツクス線状押出素材２は均一に加熱せ
しめられ、またヘタリ等の問題の発生が効果的に
防止せしめられ得て、その形状が有効に保持され
ることとなるのである。なお、このアルミナ粉末
としては、Na₂Oの可及的に減少せしめられた、
例えば0.1％以下の含有量とされたアルミナ粉末
を用いることが望ましく、これによつてコイル状
に巻かれたセラミツクス線状押出素材の着色（黄
色化）を回避することが可能となる。

その後、この仮焼成された焼成用アツセンブリ
１０は、匣鉢１２のアルミナ粉末１４中から取り
出され、そしてその芯棒６から、コイル形態を成
すセラミツクス線状押出素材２および間隙保持用
コイル材４が取り外され、更に該コイル状の線状
押出素材２と間隙保持用コイル材４とが、別々に
分離せしめられるのである。なお、このとき、そ
れら素材２およびコイル材４の端部を芯棒６上に
固定している可燃性接着剤８は、前記仮焼成時に
おいて消失しているところから、かかる取外し操
作や分離操作には、何等支障がない。

そして、このようにして得られたコイル状のセ
ラミツクス線状押出素材２を本焼成することによ
つて、第４図に示される如き目的とするセラミツ
クス・コイルばね１６が有利に製造されることと
なるのである。なお、このようにして得られるセ
ラミツクス・コイルばね１６のコイル径やコイル
間隙は、芯棒６の直径や間隙保持用コイル材の直
径よりも、ある程度小さくなつている。けだし、
本焼成時にあつても、コイル形態を成す仮焼成線
状押出素材２には、ある程度の熱収縮が惹起され
るからである。また、間隙保持用コイル材４が該
線状押出素材２と同様なセラミツクス組成物で形
成されている場合にあつては、仮焼成されてコイ
ル状となつた該間隙保持用コイル材４を用いて、
これに本焼成操作を加えれば、上記線状押出素材
２から得られるコイルばね１６と同様なセラミツ
クス・コイルばねを得ることができる。

なお、かかる本焼成操作は、一般に、セラミツ
クスの種類に応じて公知の焼成温度下において行
なわれるものであり、例えば、セラミツクス粉末
原料がジルコニア磁器系材料である場合にあつて
は、1450℃〜1500℃程度の温度が、アルミナ磁器
系の材料にあつては、1550℃〜1600℃程度の温度
が、それぞれ採用されることとなる。また、本焼
成に際しては、一般に、勢記仮焼成で用いた匣鉢
１２が再び使用され、かかる匣鉢１２中のアルミ
ナ粉末１４内にコイル形態を成す線状押出素材２
を埋め込んで、本焼成操作が実施される。そし
て、このとき、アルミナ粉末１４としては、仮焼
成時に用いられるものと同質のアルミナ粉末が好
適に用いられることとなる。

ところで、このような本発明において、ばね基
材として用いられるセラミツクス粉末原料として
は、焼成によつて、目的とする強度、靭性を与え
る公知のセラミツクスが適宜に選択されることと
なるが、一般に高強度、高靭性のセラミツクスコ
イルばねを与えるZrO₂−Y₂O₃系等の部分安定化
ジルコニア磁器材料、90〜98％のAl₂O₃を含むア
ルミナ磁器材料、更にはZrO₂−Y₂O₃−Al₂O₃系
磁器材料などが好適に用いられることとなる。な
お、ジルコニア、ジルコニア−アルミナ系の材料
にあつては、特に高強度、高靭性の物性をコイル
ばねに与え、またアルミナ材料は、原料がジルコ
ニアに比べて安価であること、コイルばねに作り
やすいこと、強度などが比較的大であることなど
の特徴を有している。

そして、このようなセラミツクス粉末原料に対
して、本発明にあつては、通常、その100重量部
あたり、１〜10重量部のメチルセルロース、１〜
10重量部の界面活性剤および１〜15重量部の多価
アルコールが配合せしめられることとなる。な
お、これら配合成分の中で、メチルセルロース
は、粘結剤として機能するものであり、その配合
量が余りにも少ないと、得られる混練物がもろく
なつて、押出成形やコイル状への加工が困難とな
る。また、その配合量が余りにも多くなると、ノ
ズルからの押出成形が困難となる等の問題を発生
せしめる。それ故、かかるメチルセルロースの配
合量としては、１〜10重量部、好ましくは３〜７
重量部の割合が用いられることとなる。

また、第二、第三の配合成分たる界面活性剤及
び多価アルコールは、共に可塑剤として機能する
ものではあるが、その単独では充分な効果を奏し
得ず、それらの併用によつて優れた効果を発揮す
るものである。そして、それらの配合によつて、
押出成形して得られた線状素材に有効な柔軟性を
与え、後の巻線加工、換言すればコイル形状への
成形加工を可能と為すものである。

ところで、かかる界面活性剤としては、ノニオ
ン系、アニオン系、カチオン系等の各種の界面活
性剤を用いることができるが、一般に、アルキル
ポリオキシエチレンエーテル、アルキルカルボニ
ルオキシポリオキシエチレン、アルキルフエニル
ポリオキシエチレンエーテル、脂肪酸多価アルコ
ールエステル、脂肪酸多価アルコールポリオキシ
エチレン、脂肪酸シヨ糖エステル等のノニオン系
界面活性剤が用いられ、特にポリオキシエチレン
脂肪酸エステルが好適に用いられることとなる。
また、多価アルコールとしては、エチレングリコ
ール、プリピレングリコール、グリセリン等があ
るが、特に本発明にあつては、グリセリンが好適
に用いられるものである。

そして、かかる界面活性剤は、その配合量が余
りにも少ないと混練物の粘性が高くなり、押出が
困難となる問題を惹起し、またその配合量が余り
にも多過ぎると、混練物の粘結性が低下するよう
になるところから、１〜10重量部、好ましくは３
〜７重量部の範囲において配合せしめられること
となる。また、多価アルコールにあつても、その
配合量が少な過ぎると、押出成形された線状素材
の柔軟性が悪化する問題を惹起し、一方、多過ぎ
ると、押し出された線状素材の乾燥が困難とな
り、その乾燥操作を面倒にするところから、１〜
15重量部、好ましくは５〜10重量部の範囲におい
て配合せしめられる。

さらに、上記の如きメチルセルロース、界面活
性剤、多価アルコールとともに、必要に応じて、
ステアリン酸エマルジヨンの如き潤滑剤や他の助
剤が配合せしめられることとなる。なお、潤滑剤
の配合は、セラミツクス粉末の混練物の押出操作
を有利に行なわしめるものであり、良好な線状素
材を得る上において、その配合は好ましいもので
ある。

また、これら配合成分と共に、適量の水がセラ
ミツクス粉末原料に加えられ、そして均一に混練
せしめられて、押出成形に適した粘土様の混練物
が調製されるのである。なお、水の添加量は、押
出成形することのできる混練物を与えるように、
適宜の割合において設定されることとなるが、一
般に、針入度が８から14の値となる粘度を有する
ような混練物とされることとなる。

そして、このように調製された混練物は、目的
とするコイルばねの線径を与えるノズル孔を有す
るノズルから押し出されて、所定の線状素材が連
続的に形成せしめられ、前記本発明におけるセラ
ミツクス線状押出素材２として用いられることと
なるのである。

（発明の効果）かくの如き本発明手法によれば、高温下におい
てもヘタリが少なく、優れたばね特性を示すと共
に、高硬度、耐摩耗性、耐蝕性、更には非磁化性
等の優れた特徴を有する所定形状のセラミツクス
製コイルばねが、その正確なコイル形態を保持し
つつ有利に製造され得ることとなり、その工業的
な製造に大きく寄与せしめ得たものであつて、そ
こに、本発明の顕著な工業的意義が存するもので
ある。

（実施例）以下に、本発明を更に具体的に明らかにするた
めに、本発明の実施例を示すが、本発明がそのよ
うな実施例の記載によつて何等の制約をも受ける
ものでないことは言うまでもないところであり、
また本発明が、それら実施例の他にも、本発明の
趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に
基づき種々なる変更、修正、改良等を加えた形態
において実施され得るものであることが、理解さ
れるべきである。なお、実施例中の部は、重量基
準にて示されるものである。

実施例１３モル％のY₂O₃を含む部分安定化ジルコニア
100部、メチルセルロース３部、ポリオキシエチ
レン脂肪酸エステル３部、グリセリン10部および
ステアリン酸エマルジヨン３部を、適量の水とと
もに、ニーダーにて均一な粘土状になるまで混練
した。得られた混練物の針入度（針度計：日本碍
子株式会社製硬度計）は10であつた。次いで、こ
の混練を終えた粘土状の混練物を真空土練機に通
し、その後、真空押出機のノズル（ノズル穴：３
mmφ）から押し出すことにより、丸紐状の線状素
材を押出成形した。そして、この押し出された紐
状の線状素材を所定の長さに切断した後、水分率
が３％以下となるまで35℃の温度で低温乾燥せし
めた。

一方、上記で得られた粘土状の混練物（セラミ
クス組成物）を用いて、目的とするコイルばねの
コイル径及びコイル間隙を与える芯棒及び間隙保
持用コイル材をそれぞれ成形し、上記と同様にし
て、低温乾燥せしめた。

そして、この得られた３種の成形品（線状素
材、芯棒、間隙保持用コイル材）を用い、第２図
に示される如き焼成用アツセンブリ１０を形成せ
しめた。すなわち、芯棒６を所定の回転する治具
に固定せしめて、そしてそれを回転せしめなが
ら、前記線状素材２を間隙保持用コイル材４と共
に規定の巻き数だけ巻き付けることにより、焼成
用アツセンブリ１０を得た。

次いで、この焼成用アツセンブリ１０は、第３
図に示される如く、匣鉢１２内に収容されたアル
ミナ粉末（14；Al₂O₃＝99.5％、Na₂O≦0.1％）
中に埋め込まれ、所定の加熱炉内で、常温下にお
いて、常温〜1000℃までは300℃／ｈ以下の昇温
速度で加熱せしめ、そして1300℃〜1350℃の温度
で仮焼した。

次いで、この仮焼成操作の施された焼成用アツ
センブリ１０を匣鉢１２から取り出し、そしてコ
イル状形態となつた線状素材２を間隙保持用コイ
ル材４と共に芯棒６から取り外し、更にその後、
該コイル材４から分離せしめた。そして、この得
られたコイル状の線状素材２を、再び前記匣体１
２中のアルミナ粉末１４中に埋設して、1450℃〜
1500℃の温度で本焼成操作を施すことにより、目
的とするジルコニアセラミツクス・コイルばね
（素線径：1.8mm、巻数：10.8、重量：14.2ｇ、密
度：6.00）を得た。

かくして得られたジルコニアセラミツクス・コ
イルばねのばね定数(k)を測定したところ、ｋ＝
0.0488であり、それ故Ｇ＝8300Kgｆ／mm²となつ
た。また、密着時の剪断応力（τ）は13.51Kg／
mm²であつた。さらに、このようにして得られたセ
ラミツクス・コイルばねは、40℃を超える温度領
域においてもヘタリが少なく、良好なばね特性な
保持するものであつた。

実施例２ 98％のAl₂O₃を含むアルミナ粉末100部、メチ
ルセルロース７部、ポリオキシエチレンノニルフ
エニルエーテル６部、グリセリン６部、及びステ
アリン酸エマルジヨン６部を、適量の水の存在下
において、ニーダーにて均一に混練せしめ、針入
度（日本碍子株式会社製硬度計）が10である粘土
状の混練物を得た。

次いで、この均一な混練物を用いて、実施例１
と同様にして押出成形し、丸紐状の線状素材を作
製し、その後同様な低温乾燥を施した。一方、前
記の混練物から、所定のコイル内径を与える芯棒
を成形し、その後同様な低温乾燥を行なつた。

そして、この乾燥された線状素材の所定長さの
２本を用いて、その一方をコイルばね用とし、ま
た他方を間隙保持用コイル材とし、前記実施例１
と同様にして、コイル状に巻線加工せしめ、第２
図に示される如き焼成用アツセンブリ１０と為し
た後、アルミナ粉末中に埋設して（第３図参照）、
仮焼成（1300℃〜1350℃）、本焼成（1550℃〜
1600℃）を実施例１と同様にして行なうことによ
り、高温下でのヘタリ率の小さな、従つて、高温
下でも優れたばね特性を発揮し得るアルミナセラ
ミツクス・コイルばねを得た。

【図面の簡単な説明】

第１図は、線状押出素材と間隙保持用コイル材
の芯棒上への巻き取り状態を説明するための斜視
図であり、第２図は焼成用アツセンブリの一例を
示す正面図であり、第３図は、そのような焼成用
アツセンブリの仮焼状態を説明するための断面説
明図であり、第４図は本発明に従つて得られたセ
ラミツクス・コイルばねの一例を示す正面図であ
る。２：セラミツクス線状押出素材、４：間隙保持
用コイル材、６：芯棒、８：可燃性接着剤、１
０：焼成用アツセンブリ、１２：匣鉢、１４：ア
ルミナ粉末、１６：セラミツクス・コイルばね。

Claims

【特許請求の範囲】１セラミツクス粉末を主原料として用いて得ら
れたセラミツクス線状押出素材を乾燥せしめた
後、該素材と同様な熱収縮特性を有する芯棒に、
該素材と同様な熱収縮特性を有する間隙保持用コ
イル材と共に巻き付けて、かかる線状押出素材と
該間隙保持用コイル材とを交互に該芯棒上にコイ
ル状に配置せしめ、そして該芯棒に巻き付けた状
態下においてアルミナ粉末中に埋め込んで仮焼成
を行ない、次いで該仮焼成された線状押出素材を
前記芯棒から取り外した後、本焼成を行なうこと
を特徴とするセラミツクス・コイルばねの製造
法。２前記セラミツクス粉末原料が、アルミナ磁器
材料または部分安定化ジルコニア磁器材料或いは
それらの混合磁器材料である特許請求の範囲第１
項記載の製造法。３前記セラミツクス線状押出素材の乾燥が、50
℃を超えない温度下において行なわれる特許請求
の範囲第１項または第２項記載の製造法。４前記芯棒が、前記セラミツクス線状押出素材
と同様なセラミツクス組成物にて形成されたもの
である特許請求の範囲第１項乃至第３項の何れか
に記載の製造法。５前記間隙保持用コイル材が、前記セラミツク
ス線状押出素材と同様なセラミツクス組成物にて
形成されたものである特許請求の範囲第１項乃至
第４項の何れかに記載の製造法。